Physical aging of glasses of an organic semiconductor

Stellen Sie sich ein Glas Wasser vor. Wenn man es einfach so stehen lässt, bleibt es gleich. Aber stellen Sie sich ein Glas aus einem speziellen, weichen Material vor, das niemals ganz zur Ruhe kommt. Das ist das, was Wissenschaftler in der Materialwissenschaft als „Glas“ bezeichnen. Es ist nicht das harte, klare Zeug in Ihrem Fenster; es ist eine gefrorene Flüssigkeit, die immer noch versucht, ihre perfekte, komfortable Form zu finden. Über die Zeit „altert“ dieses Material, schrumpft und zieht sich zusammen, während es langsam versucht, einen stabileren Zustand zu erreichen. Dieser Prozess wird als physikalische Alterung bezeichnet, und es ist ein bisschen so, als würde sich ein unordentliches Zimmer langsam selbst organisieren, nur mit Molekülen statt mit Kleidung.

Die Forscher in dieser Studie beschlossen, dieses „unordentliche Zimmer“-Verhalten in einem speziellen Material namens TPD zu untersuchen, das ein Superstar in der Welt der organischen Elektronik (die Art von Zeug, das für flexible Bildschirme und leuchtende Geräte verwendet wird) ist. Sie wollten zwei große Dinge herausfinden: Spielt die Größe des Zimmers eine Rolle? Und verändert die Art und Weise, wie man das Zimmer baut, wie schnell es sich selbst aufräumt?

Die Größe des Zimmers spielt (nicht viel) eine Rolle
Zuerlich untersuchten sie TPD-Filme, die wie dünne Kunststoffschichten sind. Sie fertigten einige an, die 400 nm dick waren, und andere, die 100 nm dick waren. Man könnte denken, dass der dünnere Film anders reagieren würde, wie ein winziges Zimmer, das schneller organisiert ist als ein großes. Aber die Arbeit fand etwas Überraschendes heraus: Die Dicke änderte die Geschwindigkeit der Alterung nicht signifikant.

Ob der Film 400 nm oder 100 nm dick war, beide zogen sich in etwa der gleichen Geschwindigkeit zusammen und fanden in ihren Gleichgewichtszustand bei einer Erwärmung auf 318 K. Die Wissenschaftler massen dies, indem sie beobachteten, wie der Film im Laufe der Zeit dünner wurde. Sie fanden heraus, dass die „fiktive Temperatur“ (eine schicke Art zu sagen, wie „unruhig“ sich das Glas fühlt) für beide Größen fast mit der gleichen Geschwindigkeit sank. Es stellt sich heraus, dass es für TPD keine Rolle spielt, ob es etwas dünner ist, damit die Moleküle panisch werden und sich schneller neu anordnen. Die Arbeit schließt die Vorstellung explizit aus, dass diese Filme anders altern würden, nur weil sie dünn sind, und stellt in diesem Größenbereich lediglich einen vernachlässigbaren Unterschied fest, statt einer völligen Identität.

Die „magische“ Art des Bauens: Dampf vs. Flüssigkeit
Hier wird die Geschichte so richtig cool. Das Team verglich zwei Arten, diese TPD-Filme herzustellen.

1. Flüssigkeitsgekühlt: Stellen Sie sich vor, Sie gießen heiße Suppe in eine Form und lassen sie langsam abkühlen. So werden viele Materialien hergestellt.
2. Vakuumverdampft (PVD): Stellen Sie sich vor, Sie nehmen die Suppe, verwandeln sie in einen superfeinen Nebel und lassen sie sanft auf eine kalte Oberfläche regnen, um eine Schicht, Molekül für Molekül, aufzubauen. So werden oft kommerzielle Bildschirme hergestellt.

Als sie die „Suppen“-Version (flüssigkeitsgekühlt) testeten, alterte das Material schnell. Es schrumpfte und pendelte sich innerhalb von 8 Stunden bei 318 K merklich ein. Aber als sie die „Nebel“-Version (vakuumverdampft) testeten, passierte etwas Magisches. Sie alterte kaum überhaupt.

Das Team maß die „Alterungsrate“ (wie schnell das Material schrumpft) und fand heraus, dass die vakuumverdampften Filme etwa um eine Größenordnung (zehnmal) resistenter gegen Alterung waren als die flüssigkeitsgekühlten. Tatsächlich waren die vakuumverdampften Filme so stabil, dass ihre Alterungsrate nahezu Null war. Sie waren im Grunde „ ultrastabil“. Die Arbeit stellt fest, dass diese Filme anstatt zu schrumpfen, während der Alterung tatsächlich eine leichte Zunahme der Dicke (etwa 0,05 %) zeigten. Dies geschieht, weil die vakuumverdampften Filme so dicht gepackt und perfekt starten, dass sie tatsächlich dichter als der Gleichgewichtszustand sind, sodass sie sich leicht ausdehnen, anstatt sich beim Relaxieren zusammenzuziehen.

Die Verbindung herstellen: Bulk vs. Dünnschicht
Einer der wichtigsten Punkte war, wie die Wissenschaftler die Verbindung zwischen großen Materialstücken und winzigen Filmen herstellten. Sie verwendeten ein Werkzeug namens Differenzielle Scannende Kalorimetrie (DSC), um die Wärmeenergie (Enthalpie) von großen, massiven (Bulk-)Stücken von TPD zu messen. Sie verwendeten auch Spektroskopische Ellipsometrie (SE), um die Dicke (Volumen) der winzigen Filme zu messen.

Sie fanden heraus, dass die Volumenregeneration (das Schrumpfen) der dünnen Filme eine sehr gute Übereinstimmung mit der Enthalpieregeneration (der Energiefreisetzung) der massiven Bulk-Stücke zeigte. Es ist, als würde man beobachten, wie ein riesiger Ballon und ein winziger Ballon entleert werden, und man würde feststellen, dass sie beide exakt im gleichen Rhythmus entleert werden. Dies deutet darauf hin, dass, wenn man wissen möchte, wie ein dünner Film in einem Gerät altert, man tatsächlich einfach ein großes Stück des Materials im Labor testen kann, und die Ergebnisse einem sagen werden, was in dem dünnen Film passiert. Die Arbeit spricht von einer „starken Kopplung“ zwischen diesen beiden Prozessen.

Was ist mit der Temperatur?
Die Forscher spielten auch mit der Temperatur. Wenn sie die Filme auf Temperaturen erhitzten, die näher am „Glasübergang“ lagen (der Punkt, an dem das Glas anfängt, weich zu werden, etwa 331,9 K für den 400 nm dicken Film), geschah die Alterung schneller. Aber wenn sie es abkühlten, verlangsamte sich die Alterung massiv. Sie fanden heraus, dass die Filme bei niedrigeren Temperaturen ihren „perfekten“ Zustand innerhalb der 30.000 Sekunden (etwa 8 Stunden), die sie beobachteten, nicht einmal erreichten. Sie befanden sich noch mitten im Prozess.

Das Fazit
Was bedeutet das also für Ihre zukünftigen Gadgets? Die Arbeit legt nahe, dass die Art und Weise, wie wir diese Materialien herstellen, eine enorme Bedeutung hat. Wenn wir die „Nebel“-Methode (Vakuumabscheidung) bei Raumtemperatur (298 K) verwenden, erhalten wir Materialien, die unglaublich robust sind und sich über die Zeit nicht verändern. Das ist eine großartige Nachricht für die Herstellung langlebiger, beständiger Bildschirme und Leuchten.

Die Arbeit ist jedoch vorsichtig darauf bedacht, nicht zu versprechen, dass dies jedes Problem löst. Sie merkt an, dass wir zwar die Ergebnisse für TPD klar sehen, aber nicht sicher wissen, ob dies für jeden organischen Halbleiter gilt. Sie erwähnt auch, dass, wenn wir das Material bei einer noch niedrigeren Temperatur (etwa 0,85 Tg) abscheiden könnten, es vielleicht noch stabiler wäre, aber das ist eine Vermutung basierend auf anderen Studien und kein Fakt aus diesem spezifischen Experiment.

Kurz gesagt: Die Arbeit zeigt uns, dass für TPD die Größe des Films das Alterungsspiel nicht verändert, aber die Methode der Herstellung es tut. Vakuumverdampfte Filme sind die Champions der Stabilität, sie altern etwa zehnmal langsamer als ihre flüssigkeitsgekühlten Verwandten, und das, was im großen Bulk-Material passiert, ist ein sehr guter Treffer für das, was in den winzigen Filmen geschieht.